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Type: Dissertação
Title: Triagem virtual e biológica de substâncias com potencial atividade antiviral contra três flavivírus: dengue virus, yellow fever virus e Zika virus
Other Titles: Virtual and biological screen of substances with potential antiviral activity against three flaviviruses: dengue virus, yellow fever virus and Zika virus
Authors: Mateus Sá Magalhães Serafim
First Advisor: Erna Geessien Kroon
First Co-advisor: Bruno Eduardo Fernandes Mota
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Vinícius Gonçalves Maltarollo
First Referee: Rafaela Salgado Ferreira
Second Referee: Jaqueline Maria Siqueira Ferreira
Abstract: Aproximadamente três bilhões de pessoas vivem em regiões com risco de infecção por Dengue virus (DENV), Zika virus (ZIKV) e Yellow fever virus (YFV). Além dos casos graves de dengue, Zika exibe complicações como síndromes congênitas em fetos. Ademais, surtos de febre amarela ocorreram no Brasil em 2017, mesmo havendo vacina contra este vírus. Até o momento não há fármacos antivirais aprovados para o tratamento dessas doenças, ressaltando a necessidade de estratégias para se obter novas moléculas com atividade antiviral. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar, empregando estratégias in silico e in vitro, a atividade antiviral de substâncias em DENV, ZIKV e YFV, tendo como alvo a protease viral (NS3PRO). Estruturas tridimensionais de compostos peptideomiméticos inibidores de protease de DENV-3 foram empregadas para a geração de modelos da relação quantitativa entre a estrutura química e a atividade biológica por holograma (HQSAR) e de acoplamento molecular (docking). Paralelamente, foram preditos sítios de ligação e hotspots de ligação das proteases alvo (PDB: 3U1I e 5YOF) utilizando programas FTSite, FTMap e AutoGrid. Esses resultados foram utilizados na construção de um modelo farmacofórico para triagem virtual. Propriedades físico-químicas, presença de fragmentos estruturais e características de interações com o alvo molecular (farmacóforo) foram delimitadas na triagem. Foi realizada dinâmica molecular dos hits virtuais, bem como predições de toxicidade e atividade biológica, selecionando oito substâncias para aquisição. A validação da atividade biológica foi corroborada empregando o teste colorimétrico de brometo de 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difeniltetrazólio (MTT), determinando as concentrações citotóxicas (CC50), concentrações efetivas (CE50) e índices de seletividade (IS). A atividade antiviral também foi avaliada por ensaios de placas de lise, efeito de pré-tratamento e de atividade virucida das substâncias. Inicialmente, modelos de HQSAR foram construídos e validados, sendo um modelo ótimo (q2 = 0.675 e r2 = 0.873) selecionado utilizando mapas de contribuição dos fragmentos moleculares. Na estrutura da protease foi delimitada a tríade catalítica, ligantes, sítios e subsítios, sendo utilizados na construção de um modelo farmacofórico baseado no mapeamento, interpretação do modelo de HQSAR e interações observadas em estudos prévios de docking. Uma triagem virtual de aproximadamente 7.600.000 compostos foi conduzida em diversas etapas (farmacóforo, docking e dinâmica molecular), identificando oito potenciais inibidores da protease de DENV-3 (dois fármacos e seis moléculas sintéticas sob investigação). Na dinâmica molecular foram observadas interações estáveis no sítio alvo, complementadas por predições de atividade (5/8) e toxicidade favoráveis (8/8). Dentre as substâncias, uma foi ativa em ZIKV (CE50 = 11,86 ± 0,43 μM; IS = 1,42), quatro em YFV (CE50 = 4,79 ± 0,17 a 24,15 ± 1,15 μM; IS = 1,97 a 3,74), duas em DENV-2 (CE50 = 4,21 ± 0,14 e 9,51 ± 0,12 μM; IS = 2,26 e 3,16) e uma em DENV-3 (CE50 = 37,51 ± 0,8 μM; IS = 2,85). Nos ensaios de placa, as substâncias 136 e 128 reduziram cerca de 1 a 1,5 log10 do título viral (UFP/mL) de ZIKV, YFV e DENV-2. As substâncias 136 e 140 também reduziram cerca de 1 log10 do título viral de YFV nos ensaios de pré-tratamento. Posteriormente, ensaios de inibição enzimática serão realizados para confirmação do alvo planejado neste trabalho.
Abstract: Approximately three billion people live in regions at risk of infection by the dengue virus (DENV), Zika virus (ZIKV) and yellow fever virus (YFV). In addition to severe cases of dengue, Zika presents complications such as congenital syndromes in fetuses. Yellow fever outbreaks also happened in Brazil in 2017, even with a vaccine available against it. Currently, there are no licensed antivirals for the treatment of these diseases, emphasizing the need for strategies to obtain new bioactive molecules with antiviral activity. The objective of this work was to evaluate, through in vitro and in silico strategies, the antiviral activity of substances against DENV, ZIKV and YFV, targeting the viral protease (NS3PRO). Three-dimensional structures of peptidomimetic compounds inhibiting DENV-3 protease were used to generate models of the quantitative relationship between chemical structure and biological activity by holograms (HQSAR) and molecular docking. Binding sites and hotspots of protein structures (PDB: 3U1I and 5YOF) were detected using the FTSite, FTMap and AutoGrid programs. These results were used to the construction of a pharmacophoric model for virtual screening. Physical and chemical properties, presence molecular fragments and interactions with the molecular target (pharmacophore) were defined in the screening. Eight compounds were selected after molecular dynamics, as well as predictions of toxicity and biological activity. Biological activity was confirmed by the colorimetric assay of 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT), in order to obtain the cytotoxic (CC50) and effective (EC50) concentrations, as well as selectivity indixes (SI). The antiviral activity was also evaluated by plaque reduction, pre-treatment and virucide activity assays. Initially, HQSAR models were built and validated, with an optimal model (q2 = 0.675 and r2 = 0.873) selected using chemical contribution maps of molecular fragments. The catalytic triad, ligands and biding sites pointed at the structures were used to build a pharmacophoric model based on mapping, interpretation of the HQSAR model and interactions observed in previous fitting studies. A virtual screening of approximately 7,600,000 compounds was conducted in several stages (pharmacophore, docking and molecular dynamics), identifying eight potential inhibitors to the DENV-3 protease (two drugs and six synthetic molecules under investigation). Molecular dynamics simulations showed stable interactions at the target sites, and were complemented by favorable biological activity (5/8) and toxicity (8/8) predictions. Among the substances, one was active against ZIKV (EC50 = 11.86 ± 0.43 μM; IS = 1.42), four against YFV (EC50 = 4.79 ± 0.17 to 24.15 ± 1.15 μM; IS = 1.97 to 3.74), two against DENV- 2 (EC50 = 4.21 ± 0.14 and 9.51 ± 0.12 μM; 2.26 and 3.16) and one against DENV-3 (EC50 = 37.51 ± 0.8 μM; IS = 2.85). In plaque reduction assays, substances 136 and 128 reduced about 1.0 to 1.5 log10 of the viral titer (PFU/mL) of ZIKV, YFV and DENV-2. Substances 136 and 140 also reduced about 1.0 log10 of YFV titer in pre-treatment assays. As a perspective, enzyme inhibition assays will be carried out in order to confirm the molecular target predicted in this work.
Subject: Microbiologia
Biologia molecular
Antivirais
Flavivirus
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Microbiologia
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/36700
Issue Date: 18-Feb-2020
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